智能制造在輪軸產品中的應用

張 磊,王 洋,耿培濤,趙 慧,張海濤,陳 泓,張衍均

(1.寶武集團馬鋼軌交材料科技有限公司；2.上海寶信軟件股份有限公司 安徽馬鞍山 243002)

1 智能制造發展背景情況

智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、 精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱。隨著國內外科技水平的提升，智能制造已成為全球價值鏈和國際格局影響各國發展的重要選擇。世界各國紛紛制定了利用信息技術智能制造的戰略和規劃，如美國的“先進制造業國家戰略計劃”、德國的“工業4.0”、日本的“ 科技工業聯盟” 、英國的“ 工業2050戰略”等。我國也制定了“中國制造2025”。

各國將通過智能制造建設智慧化工廠作為轉型升級的主要突破方向，各企業之間通過智能化信息化手段合作共贏，創建更高層次的智能制造場景，例如百度與小米在物聯網與人工智能領域合作開發更多應用場景；騰訊與京東合作布局電子商務生態圈；印度系統集成商組成AI聯盟(如OpenAI)。馬鋼交材作為全球知名的輪軸生產基地，響應國家號召緊跟全球智能制造建設浪潮，利用智能化信息化手段，建設輪軸智慧化工廠。

2 輪軸生產水平的發展

馬鋼交材作為中國寶武集團的一級子公司，是中國第一家制造火車車輪的企業，1963年11月18日軋制出中國第一件輪箍，1964年7月29日軋出中國第一件火車車輪，結束了中國依賴“洋輪洋箍”的歷史，馬鋼車輪成為新中國四大成就之一。

時至今日，智能制造在輪軸產品生產制造、服役使用、維修保養等方面都有應用。智奇公司作為輪軸產品制造的同行，通過改造實現了生產作業智能化、可視化及透明化管理、存貨剛性管控、物流效率提升；降低了人工因素對生產過程的影響，提升了產品質量保證。中國中車智能制造規劃通過精細級、精益級、智能級持續推進，最終實現讓信息化成為驅動企業技術創新、管理創新、商業模式創新的核心要素，打造世界一流的智能化企業。國鐵集團按照“大統籌、大平臺、大監管”的思路，積極推動鐵路管理改革，加強資源整合，促進專業化、集約化管理，加快推進新一代信息技術特別是5G、人工智能。

馬鋼交材致力于成為全球軌道交通輪軸產業領軍企業，通過數字化設計、數字化制造、智能化運營，推動從輪軸制造向輪軸智慧服務延伸，為高速時代提供輪軸方案，讓世界信賴中國輪軸。

3 馬鋼交材在智能制造的方面的策劃與應用

3.1 策劃

馬鋼交材歷經60多年發展，產品在國內外皆有不錯口碑，車輪生產制造相對固化，在行業內具有一定競爭力的同時，但與先進車輪制造商相比也存在自動化和信息化方面存在一些不足。車輪系統設計初期缺少整體規劃，經過不斷的引進改造，目前具備ERP和MES系統，基本滿足生產銷售需求，但是缺少對銷售數據、行為進行分析和預測，也缺少售前、售中和售后服務平臺，存在信息孤島，也未形成整體架構，各個系統也相對獨立；初步建立PDM系統,實現產品二維設計和相關工藝標準規范設計,缺少智能仿真設計，與盧奇尼成熟的設計模塊相比，設計研發時間過長。具備部分自動化設備及生產線，工序物流信息連接緊密性有待提高，中間產品委托外部企業加工，工序與工序之間的銜接存在信息落地情況，整體自動化程度國內外先進水平相比都有一定差距，工藝設備年代水平不同也在一定程度上限制了物流信息的傳遞。

為此，馬鋼交材根據國家標準GB/T 39116-2020《智能制造能力成熟度模型》，分三期規劃，按照統籌規劃分步實施的原則進行策劃。一期在2020年完成寶武集團運營共享系統覆蓋，經營管控系統建設，一鍵式數字化設計，打造車輪三線智能工廠和智慧中心建設實現集成級。二期在2021～2022年上半年將完成一總部多基地運營管控，輪軸智能工廠標準覆蓋，大數據應用分析，智慧服務項目建設達到優先級。三期在2023年完成打造最強工業大腦以及智能服務升級項目建設，達到引領級。

3.2 輪軸生產制造過程智能制造的應用

馬鋼交材通過智能制造將車輪三線建設成智能工廠，實現數字車輪和全生命周期管理。智能工廠建設主要從輪軸制造的生產制造、產品設計以及產品服務方面來進行升級改造。建立智能化協同研發平臺，建成產品設計數字孿生系統，采用新的設計工具和設計方法，開發和構建基于數據庫的“一鍵式”自動工藝設計環境，實現“一鍵式”自動工藝設計，提高設計效率和設計質量。與制造系統無縫銜接，確保制造指令下達過程數據不落地。新建產銷管理系統，支撐企業的銷售、成本、生產、質量、出廠業務的在線運作；新建采購共享平臺，實現陽關采購；新建設備管理系統，實現對設備的全方位管理；實現產銷一體化、管控一體化、業務財務一體化。

輪軸的生產制造過程主要通過在熱軋、熱處理、機加工、檢測等區域實現數字化跟蹤；原料、在制品、成品庫實現無人化運輸、自動化下料；智能加熱、智能檢測實現無人化、少人化。馬鋼交材致力于打造不一樣的鋼鐵，實現車輪的一鍵式設計、一鍵式軋鋼、一鍵式加工。

通過三維建模，實現工程圖設計效率提升20倍，成型自動化設計，實現坯型及模具設計周期由3天縮為10分鐘；一鍵式工藝設計，實現工藝設計周期由2天縮為30秒。通過智慧賦能、精品制造，實現了數字車輪的華麗轉身。馬鋼交材出品的精品輪軸，都會賦予唯一的健康碼，設計、制造、質量檢驗可追溯，未來的服役過程也可追蹤，實現全生命周期管理，通過保證輪軸質量為鐵路安全貢獻力量。

圖1 車輪數字化設計

在車輪鋼坯準備區域實現智能輪坯庫，新增的段節號自動識別裝置，來料視覺識別、自動化下料，實現數字化跟蹤。輪坯庫Auto Loader，機器人替代人工，取消“3D”崗位，實現自動搬運，數字化庫管，實現物料跟蹤零差錯。車輪加熱區域實現智能加熱，自主研發的高焦混合煤氣加熱模型，實現智能加熱，解決了困擾十多年的焦油煤氣卡阻導致無法自動調節的難題，加熱品質顯著提升。通過模型控制，可以實現車輪基地8個環形爐集中控制，實現大幅減員，提高生產效率。車輪軋制鍛壓區域實現智能軋制；在智慧中心集控，實現一鍵式軋鋼。高溫碼垛機器人實現自動操作。熱處理區域實現智能熱處理。緩冷庫Auto Loader替代原來的人工吊運，無人化出入緩冷坑，實現數字化庫管。熱處理爐上料機械手，實現自動裝出料。高溫熱態貼標替代人工，實現件件有標識。車輪精加工區域實現智能加工；智能立體庫、重載機器人、數控機床智能加工、智能物流管理，實現數字化車輪精準跟蹤，改變了原來人工吊運；智控中心集控，實現一鍵式加工。車輪性能檢測區域實現智能檢測。這是原來的人工檢測線，現在機器人替代人工，實現自動搬運。原來人工吊運磕碰傷比較多，現在杜絕車輪吊運磕碰傷，實現了安全運行。水浸式相控陣替代常規超聲波探傷，實現精品零缺陷。

圖2 車輪單件跟蹤系統

利用單件跟蹤的精細化管理替代原來粗放的爐批管理，實現物流與信息流精確匹配。數字車輪實現全線數據自動采集，數據反饋給PDM系統設計，優化仿真模型。設計指導生產，生產反饋設計，實現設計制造雙向協同。單件跟蹤和數據自動采集，實現輪軸制造生命周期管理，為智慧服務奠定基礎。設計出更符合用戶要求的產品，提高用戶響應速度，提高用戶滿意度。

按照“高于標準、優于城區、融入城市”標準對生產制造環境進行智能化管控，對生產能源和環境進行動態監控。建立馬鋼交材公司智慧中心，實現全廠的集中操控，強化工序間的協同與溝通，強化操作人員的整體控制力；建立全廠統一的視頻監控平臺，實現生產、設備、物流、能環、安全五部合一，把集控中心打造成為公司運營管控中心、集中操控中心、應急管控中心和對外形象展示中心。廠區進行綠化改造，改善廠區工作環境，降低廠區對周邊影響。

圖3 集中管控中心大屏

馬鋼交材有四大基地，參照寶武的管理經驗，未來實現運營管控一體化。通過車輪三線智能化工廠，提供輪軸智慧制造標準化基地模板，向其他基地覆蓋。將繼續走在智慧制造的路上，模式創新，成為行業引領。通過一系列舉措為客戶提供更好的服務，例如：提前預知輪對將要發生故障的時間和位置、預測輪對的剩余使用壽命，減少輪對維修費用等。通過智慧服務，給客戶帶來價值。馬鋼交材必將成為行業引領，通過數字化設計及制造，實現輪軸產品全生命周期管理，驅動商業模式從輪軸制造向輪軸服務轉變。

數字車輪系統與國鐵集團、城軌交通運營商的車輪故障在線監測系統連接，聯合建立輪軸全生命周期管理系統；大數據分析為輪軸產品的安全經濟運維提供保障，為客戶提供全生命周期服務。建立輪軸行業智慧制造新標準，成為全球軌道交通輪軸行業的領軍企業。